От серого камня до маленькой «таблетки». Как тепло превращается в ток на АЭС

Признаемся, для многих атомный реактор — это загадка. Мы знаем, что туда загружают радиоактивные материалы, а на выходе получаем электричество. Но что происходит внутри этого огромного сооружения? Что такое топливные элементы, о которых так много говорят, и как именно тепло превращается в электрический ток?

Сейчас я постараюсь объяснить этот процесс.

Этот материал основан на детальном разборе принципов работы самого распространенного в мире типа реакторов — ВВЭР (водо-водяной энергетический реактор). Я намеренно упрощаю некоторые физические термины, чтобы сосредоточиться на инженерной логике и механике процесса, доказанной десятилетиями эксплуатации сотен энергоблоков по всему миру.

Путь от ископаемого к топливному элементу: современная алхимия

Начальной точкой служит невзрачная урановая руда, а не эффектные светящиеся кристаллы из фантастических фильмов. Здесь кроется первый неожиданный момент. Для реакторов типа ВВЭР основная масса природного урана бесполезна. Он на 99,275% состоит из изотопа Уран-238, который практически не поддерживает цепную реакцию деления в таких условиях. Главным компонентом атомной энергетики является Уран-235, содержание которого в руде составляет лишь около 0,72%.

Чтобы выделить эти ценные доли процента, используется сложный процесс обогащения.

Сначала уран из руды преобразуют в газообразное соединение посредством химической обработки. Затем этот газ направляют в каскад из тысяч вращающихся газовых центрифуг. Более тяжелые молекулы с Ураном-238 оттесняются к краям, а более легкие молекулы с необходимым Ураном-235 скапливаются в центре. Этот процесс сепарации многократно повторяется, пока концентрация Урана-235 не достигнет требуемых 3-5%.

Итоговый продукт — матовые, не светящиеся черные керамические таблетки (пеллеты) из диоксида урана. Это и есть ядерное топливо. Важно отметить, что одна такая таблетка, весом всего несколько граммов, способна генерировать в реакторе столько же тепловой энергии, сколько выделяется при сжигании тонны угля.

ТВЭЛ: основа ядерного «гриля»

После изготовления топливных таблеток возникает задача их размещения в реакторе. Уложить их хаотично, подобно дровам, недопустимо. Современные стандарты безопасности труда исключают загрузку урана в реактор подобным образом. Решением является ТВЭЛ — тепловыделяющий элемент.

ТВЭЛ — это своего рода стержень для атомного реактора. Представьте тонкую, но прочную четырехметровую металлическую трубку. Это и есть ТВЭЛ, изготовленный из высокопрочного циркониевого сплава. Топливные таблетки, подобно кусочкам мяса, тщательно размещаются внутри трубки одна за другой, после чего она надежно герметизируется.

Ключевой инженерный аспект, подтвержденный многолетними исследованиями, заключается в выборе материала для оболочки. Почему именно цирконий? Он должен выдерживать экстремальные температуры и давление, обладать устойчивостью к коррозии и, что наиболее важно, быть практически незаметным для нейтронов, перемещающихся между топливными таблетками. Нержавеющая сталь, которая исследовалась на ранних этапах развития атомной энергетики, оказалась слишком эффективным поглотителем нейтронов, что снижало эффективность реакции.

Десятки таких ТВЭЛов-«шампуров» собираются в шестигранную кассету — тепловыделяющую сборку (ТВС). А уже из сотен таких кассет формируется активная зона реактора. В итоге в одном реакторе-гиганте типа ВВЭР-1000 находится около 50 000 таких «шампуров».

Контроль цепной реакции в ядерном реакторе: стержни и бор

Для поддержания ядерной реакции необходимо собрать тысячи тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов), чтобы достичь критической массы. Ключевую роль в управлении этой реакцией играют специальные элементы: управляющие стержни и борная кислота.

Управляющие стержни, обычно изготавливаемые из карбида бора, активно поглощают нейтроны, что позволяет оперативно регулировать мощность реактора. Полное погружение стержней в активную зону приводит к поглощению большинства нейтронов, что замедляет или останавливает реакцию. Поднимая стержни, мы увеличиваем количество свободных нейтронов и, следовательно, мощность реактора.

Борная кислота, растворенная в воде, также используется для поглощения нейтронов, но в более плавной и стратегической манере. Этот метод позволяет регулировать общую реактивность в долгосрочной перспективе, учитывая такие факторы, как выгорание ядерного топлива, обеспечивая стабильную и безопасную работу реактора.

По сути, управление реактором — это постоянное поддержание коэффициента размножения нейтронов на уровне единицы. Если он станет больше — начнется неконтролируемый разгон. Если меньше — реактор «заглохнет».

Но что будет, если давление все-таки начнет расти? На этот случай есть простая и гениальная система пассивной безопасности — барботер. Это можно назвать «атомным капучинатором»: в случае аварии избыточный пар сбрасывается в огромный бассейн с холодной водой через трубы с сотнями отверстий. Пар дробится на тысячи пузырьков, мгновенно конденсируется, и давление падает. Просто, надежно и работает даже без электричества.

Преобразование тепла в электричество: двухконтурная система атомного «чайника»

После активации реактора и запуска цепной реакции, топливные элементы (ТВЭЛы) начинают выделять огромное количество тепловой энергии. Далее вступает в действие усовершенствованная версия паровой машины — проверенный временем способ получения электроэнергии.

• Первый контур (радиоактивный) обеспечивает перенос тепла от реактора. Вода, циркулирующая под высоким давлением (около 160 атмосфер) через активную зону, не закипает даже при температуре около 320°C. Эта вода служит теплоносителем, перенося тепло от ТВЭЛов. Контур полностью герметичен, что необходимо из-за радиоактивности.

• Парогенератор выполняет роль теплообменника. Горячая вода из первого контура поступает в парогенератор — большой резервуар, содержащий тысячи тонких трубок. По этим трубкам течет радиоактивная вода, а снаружи она омывается чистой водой из второго контура. Смешивания сред не происходит, передача тепла аналогична принципу работы радиатора отопления.

• Во втором контуре находится чистая вода. Она быстро нагревается от парогенератора. Затем она мгновенно становится паром под большим давлением.

• После очистки пар под давлением вращает турбину. Скорость ее вращения достигает 3000 оборотов в минуту. Турбина связана с генератором. Генератор превращает вращение в электроэнергию. Затем эта энергия подается в сеть.

В следующий раз, подключая зарядное устройство, попробуйте на секунду представить этот путь: от серого камня, прошедшего через тысячи центрифуг, до маленькой черной таблетки. Представьте, как она нагревает воду в замкнутом радиоактивном контуре, которая через стенку трубки кипятит другую, чистую воду, пар из которой заставляет вращаться многотонную турбину, чтобы по проводам к вам пришел ток.